【摘 要】
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在“两化融合”的趋势和集成电路产业高速发展的背景下,如今先进的电子信息系统大多基于片上系统,作为接口器件的模数转换器的性能常常是限制整个片上系统性能的关键。逐次逼近型模数转换器由于其结构简单、模拟电路要求低、数字集成度高的特点,逐渐成为了片上系统应用中模数转换接口的主流方案。然而目前传统逐次逼近型模数转换器架构的性能提升遇到了瓶颈。逐次逼近型模数转换算法在提升性能、降低功耗的同时,能充分发挥SAR
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在“两化融合”的趋势和集成电路产业高速发展的背景下,如今先进的电子信息系统大多基于片上系统,作为接口器件的模数转换器的性能常常是限制整个片上系统性能的关键。逐次逼近型模数转换器由于其结构简单、模拟电路要求低、数字集成度高的特点,逐渐成为了片上系统应用中模数转换接口的主流方案。然而目前传统逐次逼近型模数转换器架构的性能提升遇到了瓶颈。逐次逼近型模数转换算法在提升性能、降低功耗的同时,能充分发挥SAR ADC在先进CMOS工艺下的优势,具有十分重要的研究意义。本文从系统和信号的层面出发,主要研究内容集中在基于输入信号、输出数据和电路结构等特征的逐次逼近型模数转换算法及其数字电路实现,并进行了流片验证。本文主要的工作和研究成果如下:（1）本文对输入信号特征进行了分析,提出了一种基于自适应窗的逐次逼近算法。该算法在不改变现有SAR ADC架构和模拟前端电路设计的前提下,减少了低活跃度输入信号单次量化的平均比特检测次数。该算法在心电图、脑电图和肌电图等应用中比传统的逐次逼近算法分别节约了37.9%、32.3%和18.2%的平均比特检测次数。经过流片验证,在10位SAR ADC上,使用该算法比传统算法降低了22.0%的整体功耗。（2）本文对中高精度SAR ADC中电容阵列DAC的电容失配问题进行了研究,提出了基于亚二进制冗余编码的电容阵列结构,为电容权重数字域校准提供了硬件基础。提出了一种基于输出频谱特征的数字域校准算法,通过对原始输出码的学习提高了SAR ADC的有效精度,避免了传统的数字域前台校准算法对模数转换器电路设计的改变或者对测试信号的高要求。在14位的SAR ADC上,使用该算法对原始输出码进行了数字域校准,SFDR和SNDR分别从66.62 d B和53.96 d B提升到91.60 d B和76.92 d B,有效位数从8.67位提升到12.50位,证明了算法的有效性。（3）本文研究了针对电容阵列失配的数字域后台校准算法,提出了基于码型触发的失配误差检测方案,极大地降低了电容失配误差信息获取的难度和电路开销。并针对该方案提出了基于权重迭代的和基于输入信号特征的两种失配误差提取算法,减少了数字域后台校准算法的复杂度。其中,基于权重迭代的失配误差提取算法在14位的SAR ADC上进行了电路实现并进行了流片,芯片的核心面积约为0.368 mm~2。在输入信号为37.5K Hz,采样频率为500k Hz时,测得SFDR和SNDR分别从校准前的66.62d B和53.96 d B提升到87.05 d B和74.63 d B,有效位数从校准前的8.67位提升到12.10位,证明了算法的有效性。
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